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于偉強課題組在鐵基材料中通過氫化誘導出高溫超導相

| 2018-02-07

近日,中國人民大學物理系于偉強教授團隊和清華大學物理系于浦副教授團隊合作,首次借助離子液將氫離子插入到一些鐵基結構材料中,并誘導出高溫超導相。該研究成果以 “Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”為題在Science Bulletin 2018年第一期作為封面文章刊發【1】。鐵基超導最早發現者Hideo Hosono 教授同期撰文對該工作亮點推薦【2】。

在金屬絕緣體相變和非傳統超導體研究中,通過化學取代的方法來調控載流子中具有重要的意義。通過離子液和電場對材料進行物性調控的方法最近在物理和材料科學中得到迅速發展,被廣泛應用于電池、智能玻璃、燃料電池等領域。

      于偉強研究組和清華大學于浦研究組通過離子液體電場的調控方法,在具有11結構和122結構的鐵基材料中實現了氫離子(H+)的植入,并通過其載流子摻雜效應產生高溫超導相。

具體氫植入的方法是將樣品放在離子液中,使用直流電源提供3V偏壓(左圖)。樣品連接到負電極,大量的氫離子聚集在樣品表面并擴散到樣品中。去掉偏壓和離子液后,氫離子仍然存在于樣品內,從而可以進行各種物性研究。通過氫植入在BaFe2As2中產生20 K超導,在FeSe0.93S0.07中產生20 K和42.5 K超導,在FeS中把超導溫度從4 K提升到18 K。同時實現了氫核磁共振研究,揭示了這些材料中的一些非常規超導性質(右圖)。

因此,該材料氫化方法產生雙重作用。首先從物性的角度,氫植入提供了載流子摻雜,為材料的物性調控提供了一種全新的手段,是化學摻雜和外加應力等方法的重要補充,預期可以推廣到多種金屬-絕緣體相變和超導材料的探索中。第二,從技術的角度,這種實驗方法易操作,尤其適合塊材材料,氫植入的非易失性也適合豐富的譜學研究。尤以核磁共振為例,該方法提供了氫作為敏感的核磁共振同位素,為核磁共振同位素自然豐度低的材料提供了研究可能。

南京大學聞海虎研究組,北京大學李源研究組和中國科學院物理研究所羅會仟研究組為該工作提供了高質量的單晶材料。該工作得到了中國國家自然科學基金委和中國科學技術部的支持。

參考文獻:

【1】 Y. Cui, G. Zhang, H. Li, H. Lin, X. Zhu, H Wen, G. Wang, J. Sun, M. Ma, Y. Li, D. Gong, T. Xie, Y. Gu, S. Li, H. Luo, P. Yu*, W. Yu*, .

【2】 Hideo Hosono, Superconductivity induced by field-driven proton injection. .